KR20200086108A - 회전 기기 - Google Patents

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KR20200086108A
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이승문
홍주성
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한화파워시스템 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기기는, 모터 하우징과, 모터 하우징의 일면에 배치되는 임펠러와, 모터 하우징의 내부에 실장되고, 임펠러에 결합되어 임펠러로 회전 동력을 전달하는 로터와, 로터의 주변부에 위치되는 베어링 부재 및 베어링 부재에 인접하여 모터 하우징의 내측면까지 연장되고, 로터와 임펠러 및 베어링 부재의 구동에 따라 발생되는 고온의 마찰열을 저온의 모터 하우징으로 전달하는 열전달 부재를 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 로터 조립체는 실시예에 따라 다양하게 구현될 수 있다.

Description

회전 기기{Rotating device}
본 발명은 회전 기기에 관한 것으로서, 예컨대 에어 포일 베어링(air foil bearing)을 구비한 회전 기기의 구동 시 발생되는 열을 히트 파이프를 통해 효율적으로 냉각시킬 수 있도록 하는 냉각 장치를 구비한 회전 기기에 관한 것이다.
고성능, 고출력 전기기기의 개발요구에 따라 발전기, 전동기 등과 같은 회전기기가 제공된다. 이러한 회전 기기 중 에어 포일 베어링이 적용되는 회전 기기는 로터-베어링 구조를 가지는 산업용 압축기, 펌프나 차량용 공기 공급 장치를 포함할 수 있다. 에어 포일 베어링은 회전 기기에서 윤활 오일을 사용하지 않고 공기를 이용하여 윤활 작용을 하는 베어링을 일컫는다. 이러한 에어 포일 베어링은 윤활을 위해 공기가 필수적으로 필요로 하며, 추가로 회전 속도가 상승함에 따라 에어 포일 베어링과 공기 및 로터의 마찰열로 인해 해당 부분의 온도가 상승하게 된다. 온도의 상승은 베어링의 소재 자체 수명을 단축시킬 수 있다. 또한 베어링고 공기 및 로터 사이의 마찰열을 낮추기 위해 로터나 베어링에 코팅을 적용하기도 하는데, 이 경우, 로터나 에어 포일 베어링에 코팅되는 재질의 허용온도에 따라 베어링이 실장될 수 있는 장치에는 한계가 발생될 수 있다.
따라서, 에어 포일 베어링에 의한 발열을 낮추기 위해 주변 케이스와 열전도 면적을 늘려 방열시키거나, 에어 포일 베어링으로 공급되는 공기의 양을 증가시켜 공기와 에어포일 베어링 간의 열교환을 통해 온도를 낮추는 방법이 제안되어 사용되고 있다.
그러나, 에어 포일 베어링과 주변 케이스의 열전도 면적을 늘리는 경우, 에어 포일 베어링의 크기나 형상에 한계가 발생됨은 물론 에어 포일 베어링의 실장 공간 등에 제약이 발생될 수 있다. 또한, 에어 포일 베어링에서 발생되는 열을 전달 받기 위한 케이싱의 열전도율에 의해 열 전달에 제약이 발생될 수 있다. 따라서, 에어 포일 베어링에서 발생되는 열의 충분한 방열 효과를 기대할 수 없다.
또한, 에어 포일 베어링으로 공급되는 공기의 양을 증가시켜 방열시키는 경우, 공기의 양에 비례하여 에어 포일 베어링을 방열 시킬 수 있으나, 충분한 공기를 유동시키기 위한 유동 공간을 확보해야 하고, 이로 인해 에어 포일 베어링과 로터 간의 간극이 커질 수 있으며, 간극이 커지면 충격 하중 발생 시 에어 포일 베어링과 로터 간에 충격력이 점점 커지므로 회전 기기의 안정성이 낮아질 수 있다. 또한, 에어 포일 베어링을 냉각시키기 위한 공기를 프로세서 에어의 일부로 사용하는 경우, 회전 기기의 전체 프로세서 측으로 유입되는 공기의 유입 양이 줄어들게 됨에 따라 회전 기기의 전체 효율이 낮아질 수 있다.
따라서, 회전 기기의 에어 포일 베어링에서 발생되는 열을 빠르고 효율적으로 발열시킬 수 있는 회전 기기의 필요성이 요구되고 있다.
한국 공개특허공보 10-2017-0083261호 (2017.07.18)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 에어 포일 베어링과 공기 및 로터 사이에서 발생되는 고온의 마찰열을 빠르고 효율적으로 저온 부분으로 방열시킬 수 있도록 하는 회전 기기를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 에어 포일 베어링과 공기 및 로터에서 발생되는 고온의 마찰열을 방열시키기 위한 냉각 장치의 실장 공간을 효율적으로 활용하면서 전도성이 높은 재질을 이용하여 고온의 마찰열이 저온의 케이스로 전도될 수 있도록 하는 회전 기기를 제공하고자 한다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기기는, 모터 하우징; 상기 모터 하우징의 일면에 배치되는 임펠러; 상기 모터 하우징의 내부에 실장되고, 상기 임펠러에 결합되어 상기 임펠러로 회전 동력을 전달하는 로터; 상기 로터의 주변부에 위치되는 베어링 부재; 및 상기 베어링 부재에 인접하여 상기 모터 하우징의 내측면까지 연장되고, 상기 로터와 상기 임펠러 및 상기 베어링 부재의 구동에 따라 발생되는 고온의 마찰열을 저온의 상기 모터 하우징으로 전달하는 열전달 부재를 포함할 수 있다.
상기 모터 하우징의 일면으로 상기 임펠러와 상기 로터 사이에는 수용 공간이 형성되고, 상기 열전달 부재는 상기 수용 공간에 배치될 수 있다.
상기 열전달 부재는 상기 로터의 회전축을 중심으로 상기 회전축에 수직한 방향으로 실장되며 빗살 형태로 서로 인접하게 배치될 수 있다.
상기 열전달 부재는 히트 파이프를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 베어링 부재는 에어 포일 베어링(air foil bearing)을 포함하여 구비될 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따른 회전 기기는, 에어 포일 베어링과 이웃하여 케이스와 로터 사이의 공간에 히트 파이프와 같은 전도성이 높은 열전달 부재를 배치하여 에어 포일 베어링에서 발생되는 고온의 마찰열을 저온의 케이스로 전달함은 물론 열을 효율적으로 방열할 수 있는 이점이 있다.
또한, 히트 파이프를 통해 발열되는 열을 효율적으로 방열시킬 수 있어, 에어 포일 베어링에서 발생되는 허용 발열량을 증가시킬 수 있으며, 에어 포일 베어링으로 냉각 공기의 양을 감소시킬 수 있고 이에 따라 회전 기기의 성능이나 안정성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 에어 포일 베어링으로 유입되는 냉각 공기의 양을 감소시킬 수 있음에 따라 에어 포일 베어링과 로터 간의 간격을 최소한으로 유지할 수 있어 충격하중시 에어 포일 베어링에 손상을 유지할 수 있는 충격 로드를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기의 분리 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기기에서, 열전달 부재의 내부 실장 상태를 나타내는 부분 결합 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기기의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기기의 일부분 확대 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기기에서 열전달 부재의 다른 형상을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기기에서 열전달 부재의 또 다른 형상을 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 일부 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예의 구성을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축(Ax)기의 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축(Ax)기의 분리 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기기(10)는 모터 하우징(161), 임펠러(110), 로터(120), 베어링 부재(130) 및 열전달 부재(170)를 포함할 수 있고, 이와 함께 차폐 링(152), 지지 디스크(150), 나선 케이스(162) 등을 더 포함하여 구비될 수 있다.
상기 모터 하우징(161)은 고정자(미도시)와 로터(120)를 수용하는 공간(160a)을 형성할 있다. 상기 공간(160a)은 상기 모터 하우징(161)의 축(Ax) 방향으로 관통 가능하게 형성될 수 있다. 상기 고정자는 상기 모터 하우징(161)의 내부에서 고정 결합될 수 있고, 상기 로터(120)는 상기 공간(160a)에서 회전 가능하게 구비될 수 있다. 상기 공간(160a)과 이웃하여 별도의 공간으로 로터(120) 등과 같이 회전 기기(10)에서 발생되는 열을 발열시킬 수 있는 냉각 유체가 수용되는 냉각 유체 수용 공간(160b, '냉각 챔버'라고도 함.)이 형성될 수 있다.
상기 임펠러(110)는 후술하는 로터(120)에서 회전력을 전달받아 회전하면서 가스를 가압하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 임펠러(110)는 후술하는 상기 결합 로드(121)에 결합되어 상기 로터(120)와 연결될 수 있고, 상기 로터(120)의 회전력을 전달 받도록 구비될 수 있다. 상기 임펠러(110)는 체결 부재에 의해 상기 결합 로드(121)에 회전 가능하게 고정 결합될 수 있다.
상기 로터(120)는 상기 공간에 실장되어 상기 축(Ax) 방향을 중심으로 회전하도록 구비될 수 있다. 상기 로터(120)는 축(Ax) 방향으로 형성된 결합 로드(121)를 통해 상기 임펠러(110)에 결합될 수 있고, 상기 모터 하우징(161)의 내부에서 발생되는 회전 동력을 상기 임펠러(110)로 전달 할 수 있다. 상기 로터(120)의 내부에는 영구 자석이 구비될 수 있으며, 상기 고정자가 변화하는 자력을 형성함에 따라 상기 로터(120)가 회전할 수 있게 된다.
상기 결합 로드(121)는 상기 로터(120)와 상기 임펠러(110)를 결합하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 결합 로드(121)에는 후술하는 베어링 디스크(132)가 회전 가능하게 결합될 수 있다. 상기 결합 로드(121)의 단부에는 나사산이 형성될 수 있다. 상기 결합 로드(121)의 단부에는 상기 임펠러(110)를 상기 결합 로드(121)에 결합시키는 너트와 같은 체결 부재가 결합될 수 있는데, 상기 나사산을 통해 상기 체결 부재가 상기 결합 로드(121)의 단부에 결합될 수 있다.
상기 베어링 부재(130)는 상기 로터(120)와 상기 모터 하우징(161) 간의 마찰을 완화시키는 기능을 수행할 수 있다. 상기 베어링 부재(130)는 에어 포일 베어링(131)과 베어링 디스크(132)를 포함할 수 있다. 상기 에어 포일 베어링(131)은 상기 모터 하우징(161)의 공간(160a)에 구비될 수 있고, 상기 로터(120)의 주변 둘레에 배치될 수 있으며, 상기 로터(120)와 상기 모터 하우징(161)을 연결할 수 있다. 상기 베어링 디스크(132)는 상기 에어 포일 베어링(131)의 일측을 형성할 수 있으며, 상기 임펠러(110)와 결합되는 로터(120)의 일단에서 상기 결합 로드(121)에 결합될 수 있다. 상기 베어링 디스크(132)는 상기 로터(120)와 함께 회전되도록 구비될 수 있다.
상기 지지 디스크(150)는 상기 모터 하우징(161)에 고정 결합되어 상기 로터(120)의 일단을 지지하는 기능을 수행할 수 있다. 즉, 상기 로터(120)는 상기 지지 디스크(150)에 의해 지지되어 상기 모터 하우징(161)에 대하여 회전 하도록 구비될 수 있다. 상기 지지 디스크(150)의 중앙부로 상기 로터(120)와 결합되는 부분에는 실링 부재가 더 포함될 수 있다. 상기 실링 부재는 상기 로터(120)와 상기 임펠러(110) 사이에서 상기 임펠러(110)에서 가압된 가스가 상기 모터 하우징(161)의 내부, 예컨대 공간 등으로 유입되는 것을 제한하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 실링 부재는 래비린스 씰(151)과 차폐 링(152)을 포함할 수 있다. 상기 래비린스 씰(151)은 상기 지지 디스크(150)의 일면에 부착될 수 있고, 상기 로터(120)는 상기 래비린스 씰(151)을 관통하여 상기 지지 디스크(150)에 지지될 수 있다.
상기 나선 케이스(162)는 상기 모터 하우징(161)의 일면에 결합될 수 있고, 가스의 이동 경로를 제공하도록 구비될 수 있다. 구체적으로 도시되진 않았으나, 상기 나선 케이스(162)는 가스를 유입하는 유입구와, 배출하는 토출구 및 이동 경로를 이송관을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기기(10)에서, 열전달 부재(170)의 내부 실장 상태를 나타내는 부분 결합 사시도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기기(10)의 개략적인 단면도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기기(10)의 일부분 확대 단면도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 열전달 부재(170)는 상기 임펠러(110)의 후면과 상기 로터(120)의 전면 사이에 형성된 수용 공간(S)에 실장될 수 있다. 구체적으로 상기 수용 공간(S)은 상기 지지 디스크(150)의 후면으로 상기 로터(120)의 일면 사이에 형성될 수 있다. 상기 열전달 부재(170)는 상기 수용 공간(S)에 배치되되, 상기 로터(120)의 주변 둘레를 따라 회전 축(Ax)을 중심으로 서로 이웃하게 실장될 수 있다.
상기 열전달 부재(170)는 자전거 바퀴의 빗살과 같이 상기 로터(120)의 외주연에서 상기 모터 하우징(161)의 내측면으로 빗살 형태로 인접하게 배치될 수 있다. 즉, 상기 열전달 부재(170)의 일단은 상기 로터(120)의 외주연에 구비되는 상기 에어 포일 베어링(131)과 인접하게 위치되고, 상기 열전달 부재(170)의 타단은 상기 모터 하우징(161)의 내측면에 인접하게 배치될 수 있다. 상기 임펠러(110), 상기 로터(120) 및 상기 베어링 부재(130)에서 발생되는 열은 상기 열전달 부재(170)를 통해 저온의 상기 모터 하우징(161) 측으로 전달되면서 방열될 수 있다. 상기 공간 사이에 배치될 수 있다. 상기 베어링 부재(130)에 인접하여 상기 모터 하우징(161)의 내측면까지 연장되도록 구비될 수 있다. 상기 열전달 부재(170)는 상기 로터(120), 상기 임펠러(110) 및 상기 베어링 부재(130)의 구동에 따라 발생되는 고온의 마찰열을 저온의 상기 모터 하우징(161)으로 전달하도록 구비될 수 있다.
상기 열전달 부재(170)는 히트 파이프를 포함하여 구비될 수 있다. 상기 히트 파이프는 상기 회전축(Ax) 방향에 수직한 방향으로 길게 형성된 봉 형상으로 배치될 수 있다. 상기 히트 파이프는 그 내측으로 중공을 형성하여 상기 중공으로 온도에 따라 가변되면서 발열을 가능하게 하는 작동 유체가 충전되어 밀봉되는 구조를 가질 수 있다. 상기 작동 유체는 기화 또는 액화에 의해 용이한 재질을 포함하여 이루어질 수 있다. 예컨대 열전도 성능이 양호한 프레온 혹은 아세톤 메탄올 등을 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 히트 파이프의 재질로는 양호한 열전도 성능을 구비한 알루미늄, 구리 또는 스틸 또는 스테인리스 스틸의 재질이나 이들의 재질을 포함하여 이루어질 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기기(10)에서 열전달 부재(170a)의 다른 형상을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 열전달 부재(170a)는 상기 임펠러(110)의 후면, 구체적으로 지지 디스크(150)의 후면과 상기 로터(120)의 전면 사이에 형성된 수용 공간(S)에 실장될 수 있으며, 상기 로터(120)의 주변 둘레를 따라 회전 축(Ax)을 중심으로 서로 이웃하게 실장될 수 있다. 일 실시예에서 상기 열전달 부재(170)는 부채꼴 형상의 히트 파이프가 서로 인접하여 상기 수용 공간(S)에 배치될 수 있다.
상기 부채꼴 형상의 히트 파이프는 그 일단이 베어링 부재(130)와 인접하게 배치되고, 타단이 상기 모터 하우징(161)의 내측면에 인접하게 배치될 수 있다. 상기 부채꼴 형상의 히트 파이프는 상기 임펠러(110), 상기 로터(120) 및 상기 베어링 부재(130)에서 발생되는 열을 저온의 상기 모터 하우징(161) 측으로 전달되면서 방열될 수 있다. 상기 부채꼴 형상의 히트 파이프는 그 내측으로 중공을 형성하여 상기 중공으로 온도에 따라 가변되면서 발열을 가능하게 하는 작동 유체, 예컨대 열전도 성능이 높은 프레온 또는 아세톤 메탄올 등과 같은 작동 유체가 충전되어 밀봉되는 구조를 가질 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기기(10)에서 열전달 부재(170b)의 또 다른 형상을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 열전달 부재(170b)는 상기 임펠러(110)의 후면, 구체적으로 지지 디스크(150)의 후면과 상기 로터(120)의 전면 사이에 형성된 수용 공간(S)에 실장될 수 있으며, 상기 수용 공간(S)의 형상에 대응되는 원 형상, 구체적으로 도넛 형상으로 형성될 수 있다.
상기 원 형상, 구체적으로 도넛 형상의 히트 파이프의 중앙 부분은 베어링 부재(130)의 둘레에 구비되고, 그 타단은 상기 모터 하우징(161)의 내측면에 인접하게 배치될 수 있다. 상기 부채꼴 형상의 히트 파이프는 상기 임펠러(110), 상기 로터(120) 및 상기 베어링 부재(130)에서 발생되는 열을 저온의 상기 모터 하우징(161) 측으로 전달되면서 방열될 수 있다. 상기 원 형상, 구체적으로 도넛 형상의 히트 파이프는 그 내측으로 중공을 형성하여 상기 중공으로 온도에 따라 가변되면서 발열을 가능하게 하는 작동 유체, 예컨대 열전도 성능이 높은 프레온 또는 아세톤 메탄올 등과 같은 작동 유체가 충전되어 밀봉되는 구조를 가질 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 봉 형상, 부채꼴 형상 또는 도넛 형상으로 형성된 열전달 부재(170)는 임펠러(110), 로터(120) 및 베어링 부재(130)와 인접하여 이들 구성의 구동 동작에서 발생된 마찰열을 전달 받아 저온의 모터 하우징(161) 측으로 방열 시킬 수 있게 된다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
10: 회전 기기 110: 임펠러
120: 로터 121: 결합 로드
130: 베어링 부재 131: 에어 포일 베어링
132: 베어링 디스크 150: 지지 디스크
151: 래비린스 씰 152: 차폐 링
161: 모터 하우징 162: 나선 케이스
170, 170a, 170b: 열전달 부재

Claims (5)

  1. 모터 하우징;
    상기 모터 하우징의 일면에 배치되는 임펠러;
    상기 모터 하우징의 내부에 실장되고, 상기 임펠러에 결합되어 상기 임펠러로 회전 동력을 전달하는 로터;
    상기 로터의 주변부에 위치되는 베어링 부재; 및
    상기 베어링 부재에 인접하여 상기 모터 하우징의 내측면까지 연장되고, 상기 로터와 상기 임펠러 및 상기 베어링 부재의 구동에 따라 발생되는 고온의 마찰열을 저온의 상기 모터 하우징으로 전달하는 열전달 부재를 포함하는 회전 기기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 모터 하우징의 일면으로 상기 임펠러와 상기 로터 사이에는 수용 공간이 형성되고,
    상기 열전달 부재는 상기 수용 공간에 배치되는 회전 기기.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 열전달 부재는 상기 로터의 회전축을 중심으로 상기 회전축에 수직한 방향으로 실장되며 빗살 형태로 서로 인접하게 배치되는 회전 기기.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 열전달 부재는 히트 파이프를 포함하여 이루어지는 회전 기기.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 베어링 부재는 에어 포일 베어링(air foil bearing)을 포함하여 구비되는 회전 기기.
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